專利名稱：一種單片集成串聯(lián)耦合腔波長可切換半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及半導(dǎo)體激光器，尤其是涉及一種單片集成的波長可切換半導(dǎo)體激 光器。
背景技術(shù)：
寬帶可調(diào)諧的激光器在城域網(wǎng)和長距離遠程通信中都有著非常廣泛的應(yīng)用。除了 用作替換光源，可以減少庫存數(shù)目和成本，還可以為設(shè)計更有效、更靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了 可能性。例如，可調(diào)諧激光器和波長路由器的結(jié)合可以實現(xiàn)格式無關(guān)的空間光開關(guān)以及可 重組光分插復(fù)用功能等。與用分離元件構(gòu)成的外腔可調(diào)諧激光器相比，單片集成的半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器有 許多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，而且由于沒有活動部件，因而具有更高的可靠性。傳統(tǒng)的單 片集成可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器通常需要用多個電極來連續(xù)調(diào)諧。

圖1為一個基于分布布拉格 反射光柵的傳統(tǒng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖，它包含一個有源增益區(qū)，一個相移區(qū)， 以及一個布拉格光柵。三個區(qū)域上部分別有一個控制電極，當(dāng)通過注入電流或者調(diào)節(jié)電極 電壓來改變布拉格光柵的反射峰值波長來調(diào)諧激光器的波長時，相移區(qū)必須跟著以一定關(guān) 系同時調(diào)節(jié)來防止激光器的模式跳變。而且由于受到調(diào)諧區(qū)材料折射率調(diào)節(jié)范圍的限制， 這種激光器波長的調(diào)節(jié)范圍通常只有IOnm左右。V. Jarayman, Z. M. Chuang, L^l^ L. A. Coldren 在他們的文章"Theory，design， and performance of extended tuning range semiconductor lasers with sampled gratings "IEEE J. Quantum Electron. Vol. 29，pp. 1824—1834，1993 中描述了 一種更復(fù)雜的 調(diào)諧結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的調(diào)諧。它包含四個電極分別控制兩個分布反射布拉格光柵， 以及相移區(qū)和增益區(qū)。波長的調(diào)節(jié)需要同時調(diào)節(jié)三個電極，其電流需要滿足精確的相互關(guān) 系，需要復(fù)雜的控制電路。這樣調(diào)節(jié)的復(fù)雜性大大降低了制造的成品率，增加了生產(chǎn)成本， 同時也帶來了器件的可批量生產(chǎn)性以及長期穩(wěn)定性的問題。關(guān)于串聯(lián)耦合腔激光器的研究興起于20世紀(jì)80年代初，當(dāng)時的串聯(lián)耦合腔激 光器有兩類工藝制作方式，一種是在解離出來的法布里-珀羅腔激光器上刻蝕凹槽得到， (具體見 “Monolithic two-section GalnAsP/InP active-optical-resonator devices formed by reactive-ion-etching", by L A. Coldren et al, Appl. Phys. Lett. vol. 38, PP. 315 317，1981中的詳細描述)，另外一種為通過解理耦合腔的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)(具體 見"The cleaved-coupled-cavity (C3) laser，，，by W. Τ. Tsang，Semiconductors and Semimetals, vol. 22，p. 257，1985中的描述)。然而，這些早期的串聯(lián)耦合腔激光器在模式 選擇性能上不能令人滿意，因而此后很少有人再做相關(guān)的研究。本實用新型提出了一系列 創(chuàng)新性設(shè)計，包括波長切換機理和引入一個損耗可調(diào)的中間增益腔，從而大大提高了串聯(lián) 耦合腔激光器的模式選擇性能。在很多應(yīng)用中，并不需要連續(xù)調(diào)諧激光器的波長，而只是要求激光器能在一系列 的離散波長上任意切換，比如世界電信聯(lián)盟定義的一系列相同信道間隔的工作波長。這樣的激光器可以用于可重構(gòu)型光分插復(fù)用以及基于波長的光交換等。這類激光器的關(guān)鍵技術(shù) 要求包括(1)激光器可切換波長與事先所定義的一系列離散波長的精準(zhǔn)匹配(例如國際 典型聯(lián)盟的某類標(biāo)準(zhǔn)定義)；(2)簡單同時可靠的波長切換控制；(3)高切換速度；(4)低信 道串?dāng)_；(5)工藝簡單，成本較低。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種單片集成串聯(lián)耦合腔波長可切換半導(dǎo)體激光器， 可以實現(xiàn)波長切換的功能同時滿足上述激光器關(guān)鍵技術(shù)的要求。本實用新型采用的技術(shù)方案是本實用新型包括三個串聯(lián)耦合的法布里_珀羅諧振腔，第一法布里_珀羅諧振腔 與第二法布里_珀羅諧振腔之間和第二法布里_珀羅諧振腔與第三法布里_珀羅諧振腔之 間，分別通過刻蝕的各自的空氣槽相隔開。所述的兩個空氣槽刻蝕深度超過半導(dǎo)體激光器 的有源芯層，第一法布里_珀羅諧振腔和第三法布里_珀羅諧振腔通過電泵浦的方式產(chǎn)生 光學(xué)增益從而輸出激光，同時第二法布里_珀羅諧振腔產(chǎn)生損耗用于優(yōu)化激光器的單模特 性；其中第一法布里-珀羅諧振腔的一個端面為解離形成的反射面，另一個為通過刻蝕形 成垂直側(cè)壁的空氣槽；第三法布里_珀羅諧振腔的一個端面為解離形成的反射面，另一個 為通過刻蝕形成垂直側(cè)壁的空氣槽。所述的兩個空氣槽的寬度必須等于四分之一中心工作波長的奇數(shù)倍；第二法布 里-珀羅諧振腔的光學(xué)長度必須等于二分之一中心工作波長的整數(shù)倍。所述的第一法布里-珀羅諧振腔和第三法布里-珀羅諧振腔的長度和信道間隔頻 率滿足如下公式的關(guān)系，其中Δ ·和Af'為各自法布里_珀羅諧振腔的信道間隔頻率，ng 和ng'為各自法布里-珀羅諧振腔的群折射率，c為真空中的光速，L和L'分別為第一法 布里_珀羅諧振腔和第三法布里_珀羅諧振腔的長度
_2]1 = i^Kf
權(quán)利要求一種單片集成串聯(lián)耦合腔波長可切換半導(dǎo)體激光器，包括三個串聯(lián)耦合的法布里 珀羅諧振腔(101，103、102)，第一法布里 珀羅諧振腔(101)與第二法布里 珀羅諧振腔(103)之間和第二法布里 珀羅諧振腔(103)與第三法布里 珀羅諧振(102)之間，分別通過刻蝕的各自的空氣槽(106、108)相隔開；其特征在于所述的兩個空氣槽(106、108)刻蝕深度超過半導(dǎo)體激光器的有源芯層(114)，第一法布里 珀羅諧振腔(101)和第三法布里 珀羅諧振腔(102)通過電泵浦的方式產(chǎn)生光學(xué)增益從而輸出激光，同時第二法布里 珀羅諧振腔(103)產(chǎn)生損耗用于優(yōu)化激光器的單模特性；其中第一法布里 珀羅諧振腔(101)的一個端面為解離形成的反射面，另一個為通過刻蝕形成垂直側(cè)壁的空氣槽(106)；第三法布里 珀羅諧振腔(102)的一個端面為解離形成的反射面，另一個為通過刻蝕形成垂直側(cè)壁的空氣槽(108)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單片集成串聯(lián)耦合腔波長可切換半導(dǎo)體激光器，其特征 在于所述的兩個空氣槽(106、108)的寬度必須等于四分之一中心工作波長的奇數(shù)倍；第 二法布里-珀羅諧振腔(103)的光學(xué)長度必須等于二分之一中心工作波長的整數(shù)倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單片集成串聯(lián)耦合腔波長可切換半導(dǎo)體激光器，其特征 在于所述的第一法布里-珀羅諧振腔(101)和第三法布里-珀羅諧振腔(102)的長度和 信道間隔頻率滿足如下公式的關(guān)系，其中Δι和Af'為各自法布里-珀羅諧振腔的信道 間隔頻率，ng和ng'為各自法布里-珀羅諧振腔的有效群折射率，c為真空中的光速，L和 L'分別為第一法布里-珀羅諧振腔(101)和第三法布里-珀羅諧振腔(102)的長度L = cW - c 2<Δ/ °
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單片集成串聯(lián)耦合腔波長可切換半導(dǎo)體激光器，其特征 在于所述的兩個法布里-珀羅諧振腔(101、102)的長度差異小于20%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單片集成串聯(lián)耦合腔波長可切換半導(dǎo)體激光器，其特征 在于所述的其中一個法布里-珀羅諧振腔的長度和Af= 100GHZ的信道間隔頻率相對 應(yīng)，或其中一個法布里-珀羅諧振腔的長度和Af = 50GHz的信道間隔頻率相對應(yīng)。
專利摘要本實用新型公開了一種單片集成串聯(lián)耦合腔波長可切換半導(dǎo)體激光器。包括三個串聯(lián)耦合的法布里-珀羅諧振腔，第一與第二法布里-珀羅諧振腔之間和第二與第三法布里-珀羅諧振腔之間，分別通過刻蝕的各自的空氣槽相隔開。所述的兩個空氣槽刻蝕深度超過半導(dǎo)體激光器的有源芯層，第一和第三法布里-珀羅諧振腔通過電泵浦的方式產(chǎn)生光學(xué)增益從而輸出激光，同時第二法布里-珀羅諧振腔產(chǎn)生損耗用于優(yōu)化激光器的單模特性；其中第一和第三法布里-珀羅諧振腔的一個端面為解離形成的反射面，另一個為通過刻蝕形成垂直側(cè)壁的空氣槽。這種激光器的波長可以在一系列離散的數(shù)值上精確切換，具有單模特性好，波長切換控制方法可靠，制作工藝簡單成本較低等優(yōu)點。
文檔編號H01S5/10GK201708438SQ20102022080
公開日2011年1月12日 申請日期2010年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月8日
發(fā)明者何建軍, 金嘉亮 申請人:浙江大學(xué)